PHẦN MỞ ĐẦU Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình Quadrotor Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Đình Thế Duy Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Thời gian đăng ký trong hợp đồng: 9/2014 - 9/2015 Thời gian gia hạn hợp đồng đến: 3/2016 Kinh phí được duyệt: 520 triệu đồng Kinh phí đã cấp giai đoạn 1: 260.000 đồng (Hai trăm sáu mươi triệu đồng) theo TB số: 139/TB-SKHCN ngày 03/09/2014 Kinh phí đã cấp giai đoạn 2: 208.000 đồng (Hai trăm lẻ tám triệu đồng) theo TB số: 312/TB-SKHCN ngày 02/12/2015 Mục tiêu: Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, hiện thực một mô hình Quadrotor với các nhiệm vụ chính cần thực hiện bao gồm: nghiên cứu xây dựng khung cơ khí, mạch điều khiển, cảm biến đồng thời xây dựng hệ thống chương trình điều khiển bay. Thêm vào đó, mô hình còn tích hợp hệ thống định vị GPS để Quadrotor có thể bay tự động theo lộ trình xác định trước. Nội dung thực hiện dự án: Các nội dung, công việc Kết quả TT chủ yếu cần được thực hiện cần đạt 1 Nghiên cứu, phân tích các mô hình liên quan đến Bảng khảo sát các mô hình Quadrotor, nắm bắt các nguyên lý cơ bản về khí bay không người lái thực tế.
động học, điều khiển chuyển động bay. Hình ảnh, sơ đồ, kiến thức về khí động học của Quadrotor 2 Khảo sát và xây dựng một mô hình Quadrotor. Khung cơ khí hoàn chỉnh 3 Thiết kế và hiện thực module cảm biến. Module cảm biến tích hợp các loại cảm biến: gia tốc, con Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM 17 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor quay hồi chuyển, la bàn số và áp suất 4 Thiết kế và hiện thực module định vị GPS.
Module GPS và phần mềm điều khiển 5 Khảo sát và tích hợp module xử lý camera và Bảng khảo sát các loại camera truyền hình ảnh. Module camera và truyền tải hình ảnh 6 Thiết kế và hiện thực module giao tiếp máy tính Module giao tiếp RF và phần chủ thông qua RF. mềm điều khiển 7 Thiết kế và hiện thực mạch điều khiển động cơ. Module điều khiển động cơ, cảm biến và phần mềm điều khiển 8 Thiết kế và hiện thực mạch điều khiển hoạt động Module điều khiển trung tâm trung tâm (lớp trên của mạch điều khiển động cơ).
và phần mềm điều khiển 9 Phát triển phần mềm trên máy tính chủ xử lý dữ Phần mềm trên máy chủ liệu và điều khiển mô hình bay. 10 Tích hợp hệ thống và kiểm thử chương trình. Bảng kết quả tích hợp, kiểm thử mô hình bay Bảng 2 – Nội dung thực hiện đề tài Sản phẩm của đề tài: Số Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật TT Tên sản phẩm Ghi chú lượng Mô hình bay đáp ứng được các tiêu chí kỹ Mô hình Quadrotor thuật: hoàn chỉnh với hệ Dạng kết quả Độ cao bay tối đa: 50m 1 thống mạch, cảm 1 Khoảng cách bay xa khỏi vị trí người I – Mô hình biến và chương điều khiển: 500m sản phẩm Tốc độ di chuyển ngang trung bình: 4m/s trình điều khiển bay Tốc độ lên thẳng trung bình: 1m/s Khả năng tự cân bằng tốt (độ lệch so với phương ngang): ± 100 Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM 18 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor Khả năng tự điều hướng góc bay theo phương ngang: ± 100 Khả năng thu/chụp ảnh và truyền tải hình ảnh về máy tính Khả năng định vị và tự hành theo tọa độ GPS với độ sai số bán kính 6m Mô hình có khả năng mang tải trọng: 1kg Thời gian bay trên không trung: 15 phút (tùy theo công suất của pin) Khả năng kiểm soát từ xa thông qua thiết bị điều khiển như remote và phần mềm trên máy tính Phần mềm trên máy tính đáp ứng các nội dung sau: Phần mềm kiểm Dạng kết quả Điều khiển chế độ hoạt động của soát mô hình bay II – Phần 2 1 Quadrotor thông qua giao tiếp không Quadrotor trên máy dây. mềm lưu đĩa Hiển thị hình ảnh chụp từ Quadrotor.
tính CD-ROM Hiển thị các thông tin trạng thái như độ nghiêng, tọa độ GPS Dạng kết quả Hệ thống tài liệu II – Hệ thống 3 triển khai, sử dụng 1 tài liệu lưu mô hình bay đĩa CD-ROM Bảng 3 – Sản phẩm đề tài Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM 19 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor TỔNG QUAN 1. Tổng quan nghiên cứu Các thiết bị bay hiện nay có thể được chia làm hai loại là thiết bị bay có người lái và thiết bị bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle – UAV). Các thiết bị bay có người lái đã được nghiên cứu, phát triển từ rất sớm và được ứng dụng rất nhiều trong thực tiễn như hàng không dân dụng, quân sự, do thám… Trong khi đó, các thiết bị bay không người lái được phát triển sau này nhưng tỏ ra có ưu thế rõ rệt trong một số lĩnh vực như do thám, quan sát… do đặc điểm nhỏ gọn, dễ sử dụng, phạm vi hoạt động rộng hơn, chi phí thấp. Một số ứng dụng trong thực tế có thể kể đến như cảnh sát Anh được trang bị các UAV để theo dõi an ninh tại nhiều khu vực khác nhau cùng lúc; một số nhà khoa học sử dụng UAV như thiết bị khám phá những nơi mà con người khó đặt chân đến; UAV mang theo các máy chụp ảnh, máy quay cũng được các nhiếp ảnh gia, nhà quay phim chuyên nghiệp sử dụng; trong quân sự UAV lại càng phát huy khả năng do thám bí mật hơn nữa… Sự phát triển của UAV mạnh mẽ như hiện nay là kết quả của sự phát triển các hệ thống nhúng, trong đó phải kể đến vi điều khiển, vi xử lý, các thiết bị cảm ứng đa dạng (vận tốc, gia tốc, vị trí, độ cao, điện từ trường…), các công nghệ định vị như GPS, INS và các giải thuật lập trình liên quan.
Vì UAV là một đề tài kỹ thuật mang tính kết hợp của nhiều ngành khoa học liên quan như khí động học, chế tạo, điện tử, lập trình nên UAV được các trường đại học trên thế giới khá quan tâm và một số luận văn lấy đề tài là UAV để hiện thực. Trong đề tài này, mô hình UAV được chọn để hiện thực là Quadrotor, một thiết bị bay có kết cấu đơn giản, hình dạng chữ thập với bốn cánh quạt ở các đỉnh. Khác với các mô hình UAV dạng lên thẳng khác như trực thăng, đòi hỏi sự chính xác cao về mặt cơ khí, khí động học; Quadrotor đòi hỏi cao về sự điều khiển, bởi cơ chế bay dựa vào sự kết hợp chuyển động của cả bốn cánh quạt. Đề tài nghiên cứu và hiện thực Quadrotor phù hợp với chuyên ngành Kỹ thuật máy tính vì đề tài tập trung vào hiện Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM 20 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor thực hệ thống nhờ vào thiết kế mạch và lập trình cho một hệ thống cơ khí không quá phức tạp.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Mô hình Quadrotor là một mô hình bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles) đang tạo ra sự quan tâm rất lớn trong giới công nghệ. Nhiều đề tài nghiên cứu, chế tạo thiết bị bay tự động dạng Quadrotor được thực hiện khá nhiều ở các nước tiên tiến, chủ yếu do những đặc điểm ưu việt của Quadrotor mang lại so với các mô hình bay khác. Các đề tài này là cơ sở để một số cá nhân, công ty, tổ chức phát triển thành các sản phẩm thương mại, phục vụ nhu cầu giải trí, nghiên cứu khoa học hoặc cả trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng. Nhiều nhóm nghiên cứu và các trường đại học, học viện đã và đang hiện thực thiết bị bay Quadrotor cho những mục mục đích khác nhau.
Một số dự án mô hình Quadrotor đã thành công ví dụ như: X4-flyer [1], OS4 [2], STARMAC [3]; hay như đại học Pennsylvania với các đề tài nghiên cứu khả năng điều khiển chuyển động rất chính xác của Quadrotor trong không gian thực hoặc đề tài về phối hợp phức tạp giữa một nhóm các mô hình bay với nhau bằng AI [4]. Về thương mại có thể kể đến Draganflyer X4, Asctec Humming-bird, Gaui Quad flyer, hay như AR Drone có thể điều khiển qua iPhone. Trong lĩnh vực an ninh, cảnh sát Anh được trang bị các thiết bị bay để theo dõi an ninh tại nhiều khu vực khác nhau cùng lúc hoặc cần sự bí mật, độ an toàn cao về con người. Bên cạnh đó, số lượng các nhóm phát triển mã nguồn mở cho mô hình quadrotor cũng tăng lên đáng kể trong thời gian gần đây, ví dụ như: Arducopter, Openpilot, Paparazzi, Pixhaw, Multiwii, v.v… Điều này cho thấy mô hình Quadrotor là một trong những thiết bị bay không người lái (UAV) đang được thế giới quan tâm vì những tính năng ưu việt và khả năng áp dụng thực tế mà nó mang đến.
Trường ĐHBK – ĐHQG TPHCM 21 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor Hình 1 – Mô hình Quadrotor AR Drone Trong khi đó ở Việt Nam, một số đề tài nghiên cứu về Quadrotor, bao gồm khảo sát, mô hình hóa hoặc chế tạo, từ cấp độ đồ án, luận văn [5] đến các đề tài khoa học cấp cao hơn được triển khai nhưng chỉ đáp ứng được các các mục tiêu đơn giản. Năm 2009, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” của kỹ sư Lê Công Danh, giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải TPHCM được nghiệm thu tại Sở KHCN TpHCM. Đây là một đề tài tương tự nhưng tính năng chỉ dừng ở việc phát triển các tính năng cơ bản nhất của một mô hình là có thể bay được và di chuyển trong nhà. Việc triển khai thực tế cũng gặp nhiều khó khăn vì các yếu tố môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định và khả năng bay của mô hình.
Một số đề tài sử dụng mô hình bay Quadrotor phục vụ cho các ứng dụng quan sát địa hình đô thị vẫn chưa làm chủ được công nghệ lõi của mô hình bay này. Năm 2013, thiết bị ứng dụng máy bay RC – Quadrotor của ThS-KTS. Nguyễn Quang Huy thuộc trung tâm CCAG và khoa Kiến trúc, Đại học Khoa học – Đại học Huế được trưng bày tại Triển lãm sáng tạo sinh viên và cán bộ trẻ tại thành phố Huế. Tuy nhiên đây là mô hình lắp ghép với chi phí cao, không có khả năng định vị GPS cũng như khả năng tự hành trong môi trường không người điều khiển.
Ứng dụng của Quadrotor Trên thực tế, ngoài các mô hình Quadrotor đã giới thiệu ở trên, nhiều mô hình khác cũng được phát triển, bao gồm cả phiên bản thương mại lẫn phục vụ nhu cầu nghiên cứu.